Ny forskning afsl?rer hemmeligheden bag billers frostskjold
Hans Raml?v ligner en af den slags zoologer, der er f?dt med gummist?vler p?. Det khakifarvede t?j g?r n?sten i ét med den massive ophobning af brune flyttekasser, der optager s? godt som al gulvplads i hans lille kontor p? 兴发娱乐官网手机版客户端 Universitet. B?ger, udstoppede dyr og kr?llede forskningsartikler er ogs? med i kampen om den sparsomme plads, og det er som om, at rummet kun modvilligt efterlader en plads til forskeren selv.
Hans Raml?v er professor i sammenlignende dyrefysiologi p? RUC og internationalt anerkendt for sin forskning i antifryseproteiner. I flyttekasserne p? kontoret ligger resultaterne af n?sten 30 ?rs forskning i omr?det og venter p? at blive pakket ud, n?r de s?dvanlige laboratorier og kontorer st?r f?rdigrenoverede til for?ret.
Varme fisk i koldt vand
Mange af centrale sp?rgsm?l om antifryseproteiner, som Hans Raml?v har brugt sin karriere p? at besvare, dukker bogstaveligt talt op til overfladen i 1950’erne. Her kommer polarforskere langs den canadiske nordkyst p? overarbejde, da de finder polartorsk i spr?kker i isen, hvor torsken ikke burde v?re. For torskens blod fryser ved -1°C, og havet omkring spr?kkerne bliver m?lt til -1,9°C. Forskerne undrer sig: Fiskene burde v?re frosne, men er umiskendeligt helt levende.
Noget af g?den bliver l?st, efter den amerikanske forsker Arthur DeVries i midten af 1960’erne begynder sine studier p? forskningsstationen McMurdo i Antarktis. Her observerer han, at ogs? ved sydpolen kan nogle fisk t?le lavere temperaturer end forventet. Hvorfor kan fisk tilsyneladende sv?mme underafk?lede rundt i vand fyldt af sm? iskrystaller, som ryger indenbords sammen med havvand?
Svaret kommer f?rst i 1969, da det lykkes Arthur DeVries at isolere proteiner i fisk, der h?mmer v?ksten af sm? iskrystaller. I dag har forskere fundet antifryseproteiner i alt fra arktiske bakterier til danske ?lekvabber.
Selvom antifryseproteinerne er strukturelt forskellige fra organisme til organisme, er funktionen altid at h?mme v?ksten af sm? iskrystaller. Det giver organismer mulighed for at overleve temperaturer, der er adskillige grader lavere end deres kropsv?skers frysepunkt. I de seneste ?r har hyperaktive antifryseproteiner fundet i insekter f?et stor interesse i forskningen, for insekternes antifryseproteinerne har vist sig at kunne s?nke organismens frysepunkt helt op til 7?C.
Forskning p? tv?rs af kontinenter og fagdiscipliner
Opdagelsen af antifryseproteiner satte tidligt gang i spekulationer om, proteinerne m?ske rummede opskriften p? en nedfrosset dvaletilstand, der engang i fremtiden kan sikre h?befulde sj?le genoplivning fra et langt ophold i flydende nitrogen.
Tanken om s?kaldt kryopr?servering f?r med j?vne mellemrum telefonen til at ringe p? kontoret. H?befulde borgere og journalister p? jagt efter evigheden vil vide, hvor langt forskningen er kommet. Hans Raml?v m? altid skuffe og svare, at han overlader jagten p? det evige liv til andre. For i n?sten et helt forskerliv har professoren v?ret optaget af det mere jordn?re sp?rgsm?l: Hvordan virker et antifryseprotein helt pr?cist?
Indtil for nyligt er det hverken lykkedes at forklare eller observere, hvad der eksakt sker, n?r antifryseproteiner binder sig til iskrystallerne og h?mmer isv?kst. Det ?ndrede Hans Raml?v og en tv?rfaglig gruppe af internationale forskere p?, da de i april 2019 pr?senterede et forskningsgennembrud i tidsskriftet Journal of Chemical Physics.
"Dyrefysiologer, fysikere og biologer har arbejdet t?t sammen med eksperter i computersimulationer. Tv?rfaglighed ?bner nye d?re, og det hér havde aldrig kunnet lade sig g?re, hvis der ikke var s? mange fagligheder i spil. For mit vedkommende er de f?lles resultater kulminationen p? n?sten 30 ?rs arbejde."
Alt andet end k?lerv?ske
Hans Raml?v ved godt, at det er kompliceret stof, han formidler. Kort fortalt starter det hele med billen blankplettet tandbuk, der bor i barken p? l?vtr?er i Danmark og resten af Skandinavien. Rejsen forts?tter i RUCs laboratorier, n?r billens antifryseprotein skal oprenses for siden at ende i et af verdens mest avancerede islaboratorier p? Max Planck Instituttet i Mainz, Tyskland.
P? Max Planck Instituttet for polymerforskning har forskere med professor Konrad Meister i spidsen udviklet en teknik, der sender en laserstr?le mod en isoverflade, s? det for f?rste gang er muligt at observere direkte, hvordan organiske molekyler binder sig til krystaloverfladen.
Forskningen i antifryseproteiner er Hans Raml?vs hjertebarn, og han svarer gerne p? sp?rgsm?l af alle slags. Men ét ord vil han gerne undg?: K?lerv?ske. For selv om b?de antifryseproteiner og k?lerv?ske i sidste ende s?nker frysepunktet, er vejen dertil helt forskellig.
Genkender isoverfladen
N?r bilister h?lder k?lerv?ske p? bilen, sker en simpel kemisk proces. Effekten h?nger helt sammen med antallet af molekyler af k?lerv?ske, der bliver blandet i vandet. Uanset om k?lerv?sken er en sukker-, salt- eller alkoholopl?sning, vil det tilsatte stof forstyrre vandmolekylerne s? meget, at det s?nker smeltepunktet i opl?sningen. Dermed bliver det sv?rere at danne is.
"Med antifryseproteiner fungerer det helt anderledes. De neds?tter ikke bare smeltepunktet. Antifryseproteinerne har faktisk en interaktion med isen. De hér proteiner kan genkende isoverflader, binde sig til dem og dermed h?mme v?ksten af isen. Det vil ultimativt ogs? sige, at antifryseproteiner kun fungerer, hvis der er en lille smule is til stede," forklarer Hans Raml?v.
Hans Raml?v trommer begejstret i bordet med en kuglepen og tillader sig selv en velfortjent ind?nding. Begejstringen er til at forst?. For det er mere end 25 ?rs undren og arbejde, der har ledt frem til, at det for f?rste gang er eksperimentelt muligt at observere, hvordan et antifryseprotein binder sig til en isoverflade.
Antifryseprotein er en magnet
I mange ?r op til gennembruddet er det antagelsen, at antifryseproteinets hemmelighed er, at det kan p?virke det semiflydende lag i overgangen mellem vand og is ved p? en ukendt m?de at organisere vandmolekylerne. Lasereksperimentet p? Max Planck Instituttet i Mainz afsl?rede imidlertid, at antifryseproteiner n?rmere kan beskrives som en slags magnet, som kan binde eksisterende vandmolekyler i isen og organisere dem p? en ny m?de uafh?ngigt af de andre vandmolekyler i opl?sningen.
Det overrasker forskerne. For pludseligt st?r det klart, at antifryseproteinerne er s? potente, fordi de kan tage kontrollen over, hvordan vandmolekyler orienterer sig p? iskrystallens overflade. Hvis vandmolekylerne orienterer sig i én retning, binder de sig til iskrystallen, s? der l?gges et lag af vandmolekyler til overfladen, og iskrystallen vokser.
Hvis vandmolekylerne derimod tvinges til at orientere sig i den modsatte retning, kan de ikke binde sig til isoverfladen. Det er antifryseproteinets simple vinderstrategi: For n?r antifryseproteinet binder sig til en iskrystal, tvinger det helt basalt vandmolekylerne til at binde sig til antifryseproteinet, og s? g?r iskrystallens v?kst i st?.
N?ste skridt er masseproduktion
Hans Raml?vs prim?re fokus ligger p? den grundvidenskabelige forskning, men han er ikke tvivl om, at det kommercielle potentiale ligger lige for:
"Hvis vi vil fremstille antifryseproteiner kunstigt, er det v?sentlig at forst?, hvad for nogle molekyl?re strukturer, der er bestemmende for, om noget binder sig st?rkt eller svagt til overfladen af is. For s? kan vi ?ndre strukturen i proteinmolekylet eller m?ske lave noget med samme strukturer, som slet ikke er proteiner."
I laboratorierne p? 兴发娱乐官网手机版客户端 Universitet har Hans Raml?v i samarbejde med kolleger fra Institut for Naturvidenskab og Milj? sat genetisk materiale fra antifryseproteiner ind i gensplejsede E.coli-bakterier, som dermed kommer til at fungere som en slags fabrik til fremstilling af antifryseprotein. I ?jeblikket kun til videre brug i forskning.
"P? nuv?rende tidspunkt kan vi ikke fremstille antifryseprotein i store m?ngder. Det er faktisk en af de st?rste udfordringer i forhold til anvendelse af insekt-antifryseproteiner. S? n?ste skridt er at kn?kke koden for masseproduktion, for f?r bliver dette ikke interessant i en kommerciel sammenh?ng."
Allerede i cremet fl?deis
Andre antifryseproteiner anvendes allerede i f?devareindustrien. Bl.a. af f?devaregiganten Unilever der tils?tter antifryseprotein under produktionen af fl?deis. Det sikrer, at fl?deisen er delikat og cremet, selvom isen tidligere har v?ret t?et en smule op.
Antifryseproteinerne anvendt i bl.a. fl?deis er gensplejset fra fisk, og disse antifryseproteiner har kun effekt ned til -3°C. Andeledes ser det ud med det hyperaktive antifryseprotein fra blankplettet tandbuk, der har v?ret under laseren p? Max Planck Instituttet. Det beskytter mod temperaturer helt ned til -10°C.
Fly og m?llevinger uden is
Kunstigt fremstillede antifryseproteiner ?bner ogs? for helt nye metoder til at bek?mpe is i fx fly- og vindm?lleindustrien, hvor isdannelse kan v?re fatal. Her er ambitionen at g?re overflader afvisende over for is ved at binde antifryseproteinerne i en v?ske, der kan lakeres eller spr?jtes direkte p? fly- og m?llevinger. Det kan betyde f?rre aflyste fly i vinterkulden, og vindm?ller opstillet i arktiske omr?der, hvor is og kulde i dag umuligg?r m?ller.
"Jeg tror, vindm?lleindustrien tager telefonen, hvis vi en dag ringer og siger, at vi har teknologien, der kan forhindre rimfrost og isslag p? m?llerne. For begge dele g?r vingerne mere tunge og mindre effektive. Isslag kan i v?rste fald betyde, at m?llerne ryster sig selv i stykker, fordi isen skaber en helt anden aerodynamik. Hvis vi kan binde molekyler med antifryseprotein p? m?llerne, har vi l?st problemet. For isen vil simpelthen bl?se af, n?r vingerne k?rer rundt."
S?dan vinder blankplettet tandbuk over isen
Antifryseproteinet i blankplettet tandbuk kan beskrives som en slags potent magnet, der kan tage kontrollen over, hvordan vandmolekyler orienterer sig p? iskrystallens overflade. Hvis vandmolekylerne orienterer sig i én retning, binder de sig til iskrystallen, s? der l?gges et lag af vandmolekyler til overfladen, og iskrystallen vokser. Hvis vandmolekylerne derimod tvinges til at orientere sig i den modsatte retning, kan de ikke binde sig til isoverfladen. N?r antifryseproteinet binder sig til en iskrystal, tvinger det helt basalt vandmolekylerne til at binde sig til antifryseproteinet, og s? g?r iskrystallens v?kst i st?.
Den side af antifryseproteinerne, der binder sig til isen, har en meget flad struktur. Denne side af antifryseproteinet er hydrofob - dvs. vandskyende - og har ingen ladede omr?der.
Antifryseproteinet fra blankplettet tandbuk har toppe og dale langs den isbindende side. P? toppene er vandmolekylerne orienteret, s? antifryseproteinet kan binde sig til isoverfladen. I dalene tvinges vandmolekylerne derimod til at binde sig til antifryseproteinet. S? kan vandmolekylerne ikke binde sig til isoverfladen og danne et v?kstlag, som skubber antifryseproteinet udad, s? isen vokser.
Nu kan der ikke skydes vandmolekyler ind mellem proteinet og isoverfladen, og isv?ksten er blokeret der, hvor antifryseproteinerne er bundet til isoverfladen. Isen kan vokse mellem antifryseproteinerne, men den vokser som sm? hv?lvinger. Den hv?lvede overflade betyder, at vanddamptrykket inde i isen stiger jo mere hv?lvet, isen bliver. Hvis vanddamptrykket er det samme som vanddamptrykket i den flydende v?ske omkring isen, standser isv?ksten. P? denne m?de kan dyr som blankplettet tandbuk overleve med ganske sm?, men v?kstblokerede, iskrystaller i blodet.
Mere info
Originalartikel: Molecular structure of a hyperactive antifreeze protein adsorbed to ice. Konrad Meister, C.J. Moll, S. Chakraborty, B. Jana, Arthur DeVries, Hans Raml?v, H.J. Bakker